变传动比高阶椭圆锥齿轮副
阅读：510发布：2020-05-13
专利汇可以提供变传动比高阶椭圆锥齿轮副专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种变 传动比 高阶椭圆锥 齿轮 副，包括互相 啮合 的主动椭圆 锥齿轮 和从动椭圆锥齿轮，主动椭圆锥齿轮为高阶椭圆锥齿轮，从动椭圆锥齿轮为与主动椭圆锥齿轮啮合且阶数相同的高阶椭圆锥齿轮，本发明采用将椭圆锥齿轮转 角 缩小整数倍的方式，得出高阶椭圆锥齿轮，即对应的演变成三阶椭圆锥齿轮、四阶椭圆锥齿轮、五阶椭圆锥齿轮……、n阶椭圆锥齿轮，这些变传动比高阶椭圆锥齿轮副结合了 锥 齿轮传动 、 非圆齿轮 等传动的优点，可以传递相交轴间的非匀速比运动及动 力 ，动平衡性能好，结构紧凑，承载能力大，传动效率高，且采用不同阶数的变传动比高阶椭圆锥齿轮副，在齿轮副每旋转一周，传动比能实现对应阶数个周期的连续变化，可适用于 工程机械 、 汽车 、变量 泵 等场合。，下面是变传动比高阶椭圆锥齿轮副专利的具体信息内容。
变传动比高阶椭圆锥齿轮副
技术领域
背景技术
[0002] 齿轮副啮合传动中，变传动比传动情况属于特殊齿轮副传动类型；要实现变传动比齿轮副，至少有一个齿轮的节曲线是非圆曲线；平行轴之间的变传动比传动，现已有了比较成熟的设计方法，而对于两相交轴间的变传动比传动，由于设计较为复杂，加工也较为困难，因而很少在实践中进行应用，相交轴之间非圆锥齿轮的变传动比传动，是近几年来才刚刚进入研究领域的一种新的齿轮传动形式。
[0003] 现有技术中，椭圆锥齿轮副的研究和应用，主要是集中在对二阶和三阶椭圆锥齿轮的研究，中国专利CN 1418784公开的变传动比限滑差速器采用的就是椭圆锥齿轮副，而中国专利CN 1648490A 和CN 1012813160A分别对卵形锥齿轮副（二阶椭圆锥齿轮副）和三叶锥齿轮副（三阶椭圆锥齿轮副）进行了公开，但是所解决的问题分别为两周期或三周期的变传动比传动，不具有其它周期变比传动的通用特性。
[0004] 因此，需要一种对适用于较多周期变传动比传动的椭圆锥齿轮副，本发明可根据需要进行高阶锥齿轮副的配对，能够实现相交轴间的非匀速比传动，实现包括两周期和三周期在内的多周期变传动比的运动及动力特性，能够应用于传动较为特殊的场合。
发明内容
[0005] 有鉴于此，本发明的目的是提供一种变传动比高阶椭圆锥齿轮副，可根据需要进行高阶锥齿轮副的配对，能够实现相交轴间的非匀速比传动，实现包括两周期和三周期在内的多周期变传动比的运动特性，能够应用于传动较为特殊的场合。
[0006] 本发明的变传动比高阶椭圆锥齿轮副，所述主动椭圆锥齿轮为任意高阶椭圆锥齿轮，从动椭圆锥齿轮为与主动椭圆锥齿轮啮合，且阶数相同的高阶椭圆锥齿轮；主动椭圆锥齿轮的分锥面方程为：实现的传动比为：
其中：（ ）为椭圆锥齿轮的偏心率， (n≥2)为椭圆锥齿轮的阶数； 为主动椭圆锥齿轮的转角。
其中：（ ）为椭圆锥齿轮的偏心率， (n≥2)为椭圆锥齿轮的阶数； 为主动椭圆锥齿轮的转角。
[0007] 进一步，变传动比高阶椭圆锥齿轮副装配时，主动椭圆锥齿轮的径向外凸顶端与从动椭圆锥齿轮的径向内凹底端啮合。
[0008] 本发明的有益效果是：本发明的变传动比高阶椭圆锥齿轮副，可根据对传动比变化的需要进行高阶锥齿轮副的配对，不但能够实现相交轴间的非匀速比传动，实现包括两周期和三周期在内的多周期变传动比的运动及动力特性，能够应用于传动较为特殊的场合；本发明结合了锥齿轮传动、非圆齿轮等传动的优点，可以传递相交轴间的非匀速比运动及动力，动平衡性能好，结构紧凑，承载能力大，传动效率高，且采用不同阶数的变传动比高阶椭圆锥齿轮副，在齿轮副每旋转一周，传动比能实现对应阶数个周期的连续变化，可适用于工程机械、汽车、变量泵等场合。附图说明
[0009] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
[0010] 图1 为变传动比高阶椭圆锥齿轮副配合图（以4阶为例）；图2 为4阶椭圆锥齿轮节曲线；
图3为7阶椭圆锥齿轮节曲线；
图4为15阶椭圆锥齿轮节曲线；
图5为4阶椭圆锥齿轮节锥面；
图6为7阶椭圆锥齿轮节锥面；
图7为15阶椭圆锥齿轮节锥面；
图 8为4阶主动椭圆锥齿轮和4阶从动椭圆锥齿轮的角位移关系图；
图 9为7阶主动椭圆锥齿轮和7阶从动椭圆锥齿轮的角位移关系图；
图 10为15阶主动椭圆锥齿轮和15阶从动椭圆锥齿轮的角位移关系图；
图 11为4阶从动椭圆锥齿轮的角速度和角加速度关系图；
图 12为7阶从动椭圆锥齿轮的角速度和角加速度关系图；
图 13为15阶从动椭圆锥齿轮的角速度和角加速度关系图；
图 14为阶数对传动比的影响示意图；
图 15为偏心率对传动比的影响示意图；
图 16为阶数对从动椭圆锥齿轮角加速度的影响示意图；
图 17为偏心率对从动椭圆锥齿轮角加速度的影响示意图；
图 18为主动椭圆锥齿轮初速度对从动椭圆锥齿轮角加速度的影响。
图3为7阶椭圆锥齿轮节曲线；
图4为15阶椭圆锥齿轮节曲线；
图5为4阶椭圆锥齿轮节锥面；
图6为7阶椭圆锥齿轮节锥面；
图7为15阶椭圆锥齿轮节锥面；
图 8为4阶主动椭圆锥齿轮和4阶从动椭圆锥齿轮的角位移关系图；
图 9为7阶主动椭圆锥齿轮和7阶从动椭圆锥齿轮的角位移关系图；
图 10为15阶主动椭圆锥齿轮和15阶从动椭圆锥齿轮的角位移关系图；
图 11为4阶从动椭圆锥齿轮的角速度和角加速度关系图；
图 12为7阶从动椭圆锥齿轮的角速度和角加速度关系图；
图 13为15阶从动椭圆锥齿轮的角速度和角加速度关系图；
图 14为阶数对传动比的影响示意图；
图 15为偏心率对传动比的影响示意图；
图 16为阶数对从动椭圆锥齿轮角加速度的影响示意图；
图 17为偏心率对从动椭圆锥齿轮角加速度的影响示意图；
图 18为主动椭圆锥齿轮初速度对从动椭圆锥齿轮角加速度的影响。
具体实施方式
[0011] 图1 为变传动比高阶椭圆锥齿轮副配合图（以4阶为例），如图所示：本实施例的变传动比高阶椭圆锥齿轮副，包括互相啮合的主动椭圆锥齿轮1和从动椭圆锥齿轮2，所述主动椭圆锥齿轮1为高阶椭圆锥齿轮，从动椭圆锥齿轮2为与主动椭圆锥齿轮啮合，且阶数相同的高阶椭圆锥齿轮；本实施例中，主动椭圆锥齿轮的分锥面方程为：
实现的传动比为：
其中：（ ）为椭圆锥齿轮的偏心率， (n≥2)为椭圆锥齿轮的阶数； 为主动椭圆锥齿轮的转角；即将椭圆转角缩小整数倍的方式，得出变传动比高阶椭圆锥齿轮副，即对应的演变成三阶椭圆锥齿轮、四阶椭圆锥齿轮、五阶椭圆锥齿轮……、n阶椭圆锥齿轮。
实现的传动比为：
其中：（ ）为椭圆锥齿轮的偏心率， (n≥2)为椭圆锥齿轮的阶数； 为主动椭圆锥齿轮的转角；即将椭圆转角缩小整数倍的方式，得出变传动比高阶椭圆锥齿轮副，即对应的演变成三阶椭圆锥齿轮、四阶椭圆锥齿轮、五阶椭圆锥齿轮……、n阶椭圆锥齿轮。
[0012] 当n取值为4时，则为如图1所示的4阶结构，当n取值为7或者15时，则相应的为7阶或者15阶椭圆锥齿轮，当然，n可以为大于1的其他自然数，均能实现发明目的。
[0013] 本发明技术方案所涉及的变传动比高阶椭圆锥齿轮副节锥面的建立方法是：常见的圆锥齿轮副的分锥面为圆锥面，其瞬时轴与齿轮旋转轴线的夹角是一定的，其传动比为：
(1)
式中, ——主动椭圆锥齿轮和从动椭圆锥齿轮的转角
——主动椭圆锥齿轮和从动椭圆锥齿轮的节锥角
对于非圆锥齿轮副，由于传动比的变化，使其瞬时轴与齿轮旋转轴线的夹角 成为主动转角 的函数；本发明所设计的是特殊函数传动比，表达式如下：
(2)
其中 为偏心率( )。
(1)
式中, ——主动椭圆锥齿轮和从动椭圆锥齿轮的转角
——主动椭圆锥齿轮和从动椭圆锥齿轮的节锥角
对于非圆锥齿轮副，由于传动比的变化，使其瞬时轴与齿轮旋转轴线的夹角 成为主动转角 的函数；本发明所设计的是特殊函数传动比，表达式如下：
(2)
其中 为偏心率( )。
[0014] 则主动轮的分锥面的方程：根据几何关系，分别以主动椭圆锥齿轮和从动椭圆锥齿轮的轴线为Z轴，主动椭圆锥齿轮和从动椭圆锥齿轮的球面节曲线方程可分别表示为：
(3)
(4)
式中，R——球体半径
、 ——主动椭圆锥齿轮和从动椭圆锥齿轮大端节曲线 轴坐标
、 ——主动椭圆锥齿轮和从动椭圆锥齿轮大端节曲线 轴坐标
、 ——主动椭圆锥齿轮和从动椭圆锥齿轮大端节曲线 轴坐标
把式(1)、(2)代入式(3)、(4)中，可得 阶椭圆锥齿轮副大端球面节曲线。如图2、图
3和图4 分别为4、7和15阶椭圆锥齿轮的大端节曲线。
(3)
(4)
式中，R——球体半径
、 ——主动椭圆锥齿轮和从动椭圆锥齿轮大端节曲线 轴坐标
、 ——主动椭圆锥齿轮和从动椭圆锥齿轮大端节曲线 轴坐标
、 ——主动椭圆锥齿轮和从动椭圆锥齿轮大端节曲线 轴坐标
把式(1)、(2)代入式(3)、(4)中，可得 阶椭圆锥齿轮副大端球面节曲线。如图2、图
3和图4 分别为4、7和15阶椭圆锥齿轮的大端节曲线。
[0015] 本发明通过方程（3）、（4）分别可以得到 阶椭圆锥齿轮的大端节曲线。然后把大端节曲线上的每一个点都和球心（原点）相连，则可得 阶椭圆锥齿轮的分锥面，如图5、图6和图7分别为4、7和15阶椭圆锥齿轮的分锥面。
[0016] 本发明的变传动比高阶椭圆锥齿轮副具有以下几个特点1.当 ，偏心率 为零时，阶椭圆锥齿轮副则演变成常见的直齿圆锥齿轮副，这是变传动比高阶椭圆锥齿轮副系列的特例之一。
[0017] 2.本发明在理论的条件下，可根据需要实现任意阶数大于2的变传动比高阶椭圆锥齿轮副。
[0018] 3.高阶椭圆锥齿轮随着阶数的提高，如果偏心率不变，则齿轮球面节曲线会出现内凹，因此须减小偏心率或者增加齿轮的齿数，以方便椭圆锥齿轮的加工。
[0019] 4. 图 8、图9和图10为4、7和15阶主动椭圆锥齿轮和从动椭圆锥齿轮的角位移关系图；图 11、图 12和图 13分别4阶、7阶和15阶从动椭圆锥齿轮的角速度和角加速度关系图；变传动比高阶椭圆锥齿轮副的主动椭圆锥齿轮转角与从动椭圆锥齿轮转角、角速度及角加速对应的关系，如图 8、图9和图10所示，阶数n越高，主动椭圆锥齿轮和从动椭圆锥齿轮的角位移曲线重合度越接近；当 时，主动椭圆锥齿轮和从动椭圆锥齿轮的角位移曲线趋近于重合。
[0020] 设 ( 为输入角速度,是一定值；为时间)，从动椭圆锥齿轮转角是主动椭圆锥齿轮转角的函数:
从动椭圆锥齿轮转角速度 和转角加速度 表达式分别如下：
＝ 。
5. 图 15为偏心率对传动比的影响示意图，如图所示，随着偏心率的增大，传动比变化范围增大
由 可得:
显然，当偏心率 增大时， 对应的增大，而 对应的增大的程度较小，从而传动比的变化范围增大。
从动椭圆锥齿轮转角速度 和转角加速度 表达式分别如下：
＝ 。
5. 图 15为偏心率对传动比的影响示意图，如图所示，随着偏心率的增大，传动比变化范围增大
由 可得:
显然，当偏心率 增大时， 对应的增大，而 对应的增大的程度较小，从而传动比的变化范围增大。
[0021] 6. 阶数不变的情况下，随着偏心率的增大，从动椭圆锥齿轮的角加速度的最大值也会增加，如图17所示，图 17为偏心率对从动椭圆锥齿轮角加速度的影响示意图；也就是当阶数和主动椭圆锥齿轮的角速度 一定的时候，随着偏心率 增大，从动椭圆锥齿轮的角加速度的最大值会很大程度增大，从动椭圆锥齿轮的角加速度的最大值的增加，会造成传动过程中的冲击增大，因此，基本满足传动要求的情况下，应选用偏心率 较小的椭圆锥齿轮副。
[0022] 7. 图 14为阶数对传动比的影响示意图，如图所示：偏心率不变的情况下，随着阶数的增大，传动比的范围不会变化。在主动椭圆锥齿轮旋转一周的过程中，传动比变化周期个数逐渐增加，传动比变化周期数等于高阶椭圆锥齿轮的阶数。
[0023] 8. 图 16为阶数对从动椭圆锥齿轮角加速度的影响示意图，阶数增大，将引起从动椭圆锥齿轮角加速度的迅速增大；当偏心率 和主动椭圆锥齿轮的角速度 一定的时候，随着阶数 增大，从动椭圆锥齿轮的角加速度的最大值会增大，所在我们基本满足传动要求的情况下，应选用低阶数的椭圆锥齿轮副。
[0024] 9.当 阶椭圆锥齿轮的主动椭圆锥齿轮以一定的角速度 传动时，其传动比曲线为连续变化的余弦。其最大传动比出现在 处，最小传动比出现在，其中 为正整数。
[0025] 10.图 18为主动椭圆锥齿轮初角速度对从动椭圆锥齿轮角加速度的影响，如图18所示，随着主动轮的角速度 增大，从动轮的角加速度的变化范围和最大值都会迅速增大，所以非圆锥齿轮一般不用高速重载的传动情况下，否则受力状况会很恶劣。
[0026]本实施例中，变传动比高阶椭圆锥齿轮副装配时，主动椭圆锥齿轮的径向外凸顶端与从动椭圆锥齿轮的径向内凹底端啮合；也就是主动椭圆锥齿轮1和从动椭圆锥齿轮2安装时，主动椭圆锥齿轮1的最大半径与从动椭圆锥齿轮2的最小半径啮合，如图1所示。
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